一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置的制作方法

本发明涉及废水生物脱氮领域，特别涉及一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置。

背景技术：

根据《全国水资源综合规划》，在全国主要江河湖库划定的6834个水功能区中，有33％的水功能区化学需氧量或氨氮现状污染物入河量超过其纳污能力，且为其纳污能力的4－5倍，部分河流(段)甚至高达13倍。氨氮废水排放量大，危害严重，并且来源广泛,另一方面，随着城市化进程加快，城市生活垃圾与日俱增，填埋场数量可观，产生大量性质趋于稳定的填埋物质——矿化填料，这种矿化填料具有较好的化学吸附性能及丰富多样的微生物群落结构，对于污染物的去除有良好的效果。用这些廉价易得的环境废弃物作为处理废水的材料，不但处理费用低廉，而且还可以使填埋场内的矿化垃圾资源化，实现以“废”治“废”的目的，具有广阔发展前景。

硝化反硝化是传统的生物脱氮技术，但由于大多数参与硝化反应的微生物：氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌均为好氧型微生物，但参与反硝化作用的微生物多为厌氧菌，二者由于对氧气的需求量不同而不能在同一均匀供氧的反应器中共生。该反应器设计则从空间上实现氧气浓度变化，将硝化反硝化一体化，节省空间的同时实现清洁脱氮。

硝化作用是一个序列反应，先由一类细菌把氨氧化成亚硝酸盐，再由另一类细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐，这其中，催化氨转化为羟胺的酶是氨单加氧酶，催化羟胺转化为亚硝酸盐的酶是羟胺氧还酶，催化亚硝酸盐转化为硝酸盐的酶称为亚硝酸氧还酶。

整个硝化反应为：

反硝化作用是指将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气的生物反应。从微生物学的角度看，反硝化作用是反硝化细菌的厌氧呼吸过程，硝酸盐是电子受体，氮气是代谢产物，要完成这个厌氧呼吸过程，还必须不断地从外界获得电子供体(通常为有机物)。

自养反硝化的过程为：

5s+6kno3+2h2o→k2so4+3n2+4khso4

异养反硝化的过程为：

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，包括反应器本体，所述的反应器本体的顶部设有进水口，底部设有出水口，反应器本体内部由上至下分别为布水层、好氧区、厌氧区和承托层；所述的布水层内填充有海绵，好氧区和厌氧区内填充有用于构建微生物菌团的矿化填料，好氧区内设有多根导气管，所述的导气管与外部气源连接，导气管的管体上均匀分布有多个气孔，在好氧区和厌氧区的交界处设有一根导液管，所述的导液管的管体上朝向好氧区开有多个水孔，导液管的一端伸出至反应器本体外，所述的承托层内填充有沙料。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，所述的矿化填料为经过4-10年填埋的城市生活垃圾，其中含水率25％-40％，灰分50-65％，ph7.7-8.1，有机质含量7％-12％，阳离子交换量为10-25mmol/100g，孔隙率为30-45％，粒径0.5-2mm，表面富含的官能团有：羟基、羧基和氨基，丰度高于7％的微生物有：鞘氨醇单胞菌、热单胞菌、噬氢菌属。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，所述的布水层设置的海绵的厚度为20-40mm，每平方英寸的海绵质指数为35-50。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，所述的好氧区内从上到下设有三根导气管，导气管沿水平方向设置，且两两呈60°交错，导气管居中的一根伸出至反应器外壁外以与外界气源连接，三根导气管之间通过一根竖直设置的通气管互相连接。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，所述的外界气源包括气泵和转子流量计，所述的气泵通过转子流量计连接至导气管。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，还包括好氧区填料取样口，所述的好氧区填料取样口设置于反应器的外壁上，并位于导气管与外界气源连接处的正对面。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，反应器填料主体分为上半部分好氧区与下半部分厌氧区，其高度比为(1.2-1.5)：1。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，所述的导液管与反应器的中轴线相交，且与水平面呈10°-30°夹角，在开设的水孔处包裹滤网。

所述的一种基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，反应器下部的承托层填充的是粒径为4-8mm，厚度60-100mm的石英砂。

本发明的优点是：1)选取表面富含官能团，且具有微生物多样性的矿化填料构建微生物菌团，充分利用了矿化填料特殊的物理、化学性质，还充分发挥了菌团中功能微生物的作用，实现了废水高效脱氮处理；2)所选矿化填料为在环境中填埋多年呈矿化的废弃物，以废治废，大大降低了生物脱氮成本；；3)相比于传统生物脱氮过程，微生物菌团具有很高的活性，生物脱氮效率更佳；4)装置可实现一体化脱氮，出水水质直接达标排放；5)用海绵作为布水层，实现均匀布水，避免水流短路造成的部分填料负荷过高，其余部分则未参与反应的现象；6)反应器上半部分的三根两两互成60°的导气管能够实现均匀曝气，使氨氮充分转化为亚硝氮及硝态氮，最大程度提高氨氮转化率。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1导气管剖视图；

图3为矿化填料红外分析图；

图4为矿化填料微生物群落结构分析图；

图5为反应器启动过程的进出水ph值变化图；

图6为反应器启动过程的进出水基质及产物浓度变化、污染物去除率变化图；

图7为反应器启动过程中好氧区出水三氮浓度变化图；

图8为反应器启动过程中出水cod浓度变化图；

其中，1、进水口，2、海绵布水层，3、导气管，4、好氧区填料取样口，5、进气口，6、导液管，7、好氧区出水取样口，8、厌氧区填料取样口，9、石英砂过滤承托层，10、出水口，11、进水装置，12、蠕动泵，13、气泵，14、转子流量计，15、好氧区，16、厌氧区，17、出水装置。

具体实施方式

参见图1，本实施例包括反应器本体，反应器本体的顶部设有进水口，进水口通过蠕动泵连接进水装置，底部设有出水口，反应器本体内部由上至下分别为布水层、好氧区、厌氧区和承托层；布水层内填充有海绵，好氧区和厌氧区内填充有用于构建微生物菌团的矿化填料，好氧区内设有多根导气管，导气管与外部气源连接，导气管的管体上均匀分布有多个气孔，在好氧区和厌氧区的交界处设有一根导液管，导液管的管体上朝向好氧区开有多个水孔，导液管的一端伸出至反应器本体外，承托层内填充有沙料。底部的出水口连接到出水装置。

参见图3、图4，矿化填料为环境中经过4-10年填埋的城市生活垃圾，其中含水率25％-40％，灰分50-65％，ph7.7-8.1，有机质含量7％-12％，阳离子交换量为10-25mmol/100g，孔隙率为30-45％，粒径0.5-2mm，表面富含的官能团有：羟基、羧基和氨基，丰度高于7％的微生物有：鞘氨醇单胞菌、热单胞菌、噬氢菌属。

布水层设置的海绵的厚度为20-40mm，每平方英寸的海绵质指数为35-50。好氧区内从上到下设有三根导气管，导气管沿水平方向设置，且两两呈60°交错，导气管居中的一根伸出至反应器外壁外以与外界气源连接，三根导气管之间通过一根竖直设置的通气管互相连接。外界气源包括气泵和转子流量计，气泵通过转子流量计连接至导气管。好氧区填料取样口设置于反应器的外壁上，并位于导气管与外界气源连接处的正对面。

反应器填料主体分为上半部分好氧区与下半部分厌氧区，其高度比为(1.2-1.5)：1。导液管与反应器的中轴线相交，且与水平面呈10°-30°夹角，在开设的水孔处包裹滤网。反应器下部的承托层填充的是粒径为4-8mm，厚度60-100mm的石英砂。

如附图1所示，本实施例的装置主体为直径为100mm的圆柱形有机玻璃，主要包括好氧硝化区和厌氧反硝化区，其中好氧区高度为180mm，厌氧区高度为120mm，二者由上半部分均匀打孔后包裹滤网的直径为10mm的导液管分隔开。参见图2，上半部分好氧区布设了三根两两互成60°的导气管，中间的导气管与外界连通，接转子流量计和气泵，以保证曝气均匀。此外，好氧区和厌氧区分别设有填料取样口，便于对不同氧浓度区域的微生物群落结构的分析和填料中有机质含量的变化的分析，有利于探明生物脱氮的具体途径及机理，另外，也为解决目前工程应用上填料堵塞的问题的产生原因及治理方法提供思路。待处理的废水从反应器顶端的进水口进入，在重力的作用下通过布水层均匀进入反应器内部，少部分流经气泵曝气的好氧硝化区后，顺着导液管流出，大部分继续流经未经曝气的厌氧反硝化区，最终通过承托过滤层后，由反应器底部的出水口流出。

参见图5-图8，起始进水氨氮浓度为28mg/l，通过化学吸附作用，氨氮去除率达到100％，由于化学吸附和离子交换趋于饱和，出水氨氮浓度逐渐增加，去除率逐渐下降至66％，出水ph的下降也表明硝化反应开始发挥作用。在功能微生物生长阶段，氨氮去除率逐渐恢复，同时逐渐增加进水氨氮浓度至50，100，200mg/l，去除率可达到99％以上。在后续增加氨氮负荷的过程中，同时加入3.5g/l的碳酸氢钠，出水由起初的淡黄色变为黑褐色，碱度的增加抑制硝化细菌的生长，而使硝化作用维持在亚硝化阶段，出水亚硝氮由之前的0.1mg/l以内，骤增至30mg/l，出水ph由6.5增至7.5，与此同时，氨氮去除率也下降至50％，两天之后，停止进水碳酸氢钠的补充，反应器随即恢复原有的处理效果，氨氮去除率达到96％。该过程说明该反应器具有良好的抗冲击能力。

采用基于矿化填料的高效微生物菌团一体化脱氮装置，矿化填料为取自江西省某填埋场厌氧填埋八年的填料，通过所述的一体化装置，出水氨氮能够基本维持在15mg/l以内，达到一级排放标准；出水cod基本维持在50mg/l以内，达到一级排放标准。